Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2025, 65 (2), 176–182
Quantum coupling between radio modes in a single-atom maser with two resonators
Eugeniy N. Popov – ITMO University, Saint Petersburg, Russia; enp-tion@yandex.ru
Alexander I. Trifanov – ITMO University, Saint Petersburg, Russia; alextrifanov@gmail.com
Maria A. Moskalenko – ITMO University, Saint Petersburg, Russia; moskalenko.mary@gmail.com
Vladimir A. Reshetov – Togliatti State University, Tolyatti, Russia; vareshetov@tltsu.ru
Corresponding author: Eugeniy N. Popov, enp-tion@yandex.ru
DOI 10.17586/2220-8054-2025-65-2-176-182
ABSTRACT In this work, we investigate the effect of quantum coupling between radio fields in a single-atom maser with two spatially separated resonators. Each atom in a beam, depending on its state, can emit one photon into the first resonator and absorb another from the second, thereby entangling the quantum states of two independent modes. Resulting from entanglement, we obtain a coherence between states of two-mode field with the same total number of photons in the both modes. To study the arising coupling, an analytical solution of the stationary master equation is found under conditions of a trapped field state and the dependence of the von Neumann entanglement entropy on the quality factor of the resonators. Numerical analysis reveals that the best conditions for the appearance of quantum coupling are the low quality factor of the first resonator and the high quality factor of the second one.
KEYWORDS single-atom maser, quantum coupling, trapped field state
ACKNOWLEDGEMENTS The work was supported by the Ministry of Science and Education of the Russian Federation (Passport No. 2019-0903).
FOR CITATION Popov E.N., Trifanov A.I., Moskalenko M.A., Reshetov V.A. Quantum coupling between radio modes in a single-atom maser with two resonators. Nanosystems: Phys. Chem. Math., 2025, 65 (2), 176–182.
[In Russian] Попов Е.Н., Трифанов А.И., Москаленко М.А., Решетов В.А.
Квантовая связь между двумя радио-модами в одноатомном мазере с двумя резонаторами
АННОТАЦИЯ В данной работе описан эффект возникновения квантовой связи между радио-полями в одноатомном мазере с двумя разнесёнными в пространстве резонаторами. Один и тот же атом пучка в зависимости от состояния может излучить фотон в один резонатор и поглотить из второго, перепутывая тем самым квантовые состояния двух независимых мод. Следствием перепутанности является когерентность между состояниями двухмодового поля с одинаковым суммарным количеством фотонов в обеих модах. Для изучения возникающей связи найдено аналитическое решение стационарного управляющего уравнения в условиях запертого состояния поля, а также построена зависимость энтропии запутанности фон Неймана от добротности резонаторов. Численный анализ показал, что наилучшими условиями для появления квантовой связи является низкая добротность первого резонатора и высокая добротность второго.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА Одноатомный мазер, квантовая связь, запертое состояние поля
